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Anlauf zum Quantensprung

Mit dem Volkswagen Konzern nutzt erstmals ein Autohersteller einen Quantencomputer, um Verkehrsflüsse zu berechnen.

Volkswagen IT-Experten nutzen Quantencomputer für Verkehrsfluss-Optimierung

21 Millionen Einwohner, mehr als fünf Millionen Autos – der Berufsverkehr in einer Megacity wie Peking kann höllisch sein, an manchen Tagen dauern die Staus länger als vier Stunden. Viele Bewohner nennen ihre Stadt deshalb „Shoudu“ – Hauptstadt der Staus, denn die bisherigen Maßnahmen der Verkehrsbehörde haben wenig Linderung gebracht.

Wie aber wäre es, wenn man den Stau schon verhindern könnte, bevor er entsteht?

Diese Frage hat Martin Hofmann, Chief Information Officer (CIO) des Volkswagen Konzerns, seinen Teams aus IT-Spezialisten gestellt. Mit Hilfe von Bewegungsdaten von 10.000 Pekinger Taxis haben diese versucht, eine beispielhafte Verkehrssimulation für eine Megametropole zu errechnen – „eine hochkomplexe Berechnung mit Milliarden von Daten“, wie Hofmann betont.

  1. Klassische Computer sind überfordert

    Wie weit das überhaupt möglich ist, musste sich der Datenforscher Florian Neukart fragen: „Wenn es in einem bestimmten Raum zu viele Faktoren gibt, etwa eine große Menge sich bewegender Autos, die man auf unzählige alternative Punkte verteilen muss, kommt es schnell zu einer kombinatorischen Explosion, die klassische Computer überfordert, selbst mit der Cloud dahinter“, umreißt er die Herausforderung. Und da Neukart neben seiner Tätigkeit als „Principal Data Scientist“ bei Volkswagen of America auch noch an der holländischen Universität von Leiden zum Thema Quantencomputer lehrt, lag die mögliche Lösung des Dilemmas auf der Hand: Könnte man die kombinatorische Explosion lösen, indem man einen völlig andersartigen Rechner benutzt, der nicht den Gesetzen der Elektronik, sondern denen der Quantenphysik gehorcht?

  2. Der Computer, der aus der Kälte kam

    Während in herkömmlichen Rechnern ein Bit stets entweder eine „Null“ oder „Eins“ annehmen kann, kann ein Quantenbit gleichzeitig in beiden Zuständen sein, was die Rechenleistung mit jedem Quantenbit exponentiell erhöht. Anders als bei digitalen Computern bestehen seine Informationseinheiten (Bits bzw. Quantenbits) etwa aus winzigen Magnetfeldern, die bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts von sehr kleinen Spulen in supraleitenden Schaltkreisen erzeugt werden. Statt Magnetfeldern könnten auch die Energiezustände von einzelnen Atomen oder die Schwingungsrichtung von Lichtteilchen genutzt werden. „Zwischen diesen so genannten Qubits kann man eine Wechselwirkung einstellen, sodass sie sich gegenseitig ‚spüren‘ können“, erläutert Christoph Becher, Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlands. „Dieses System versucht sich dann naturgemäß so anzuordnen, dass es eine möglichst geringe Energie einnimmt“, beschreibt der Quantenphysiker. Und zwar rasend schnell. Anhand der Verteilung der Magnetfelder versuche man dann, die Lösung des Rechenproblems abzulesen. „Die Schwierigkeit besteht darin, meine Frage so in eine Rechenvorschrift zu übersetzen, dass der Quantenrechner seinen Geschwindigkeitsvorteil ausspielen kann.“

  3. D-Wave

    „Traditionelle Rechner liefern auf dieselbe Frage immer dieselbe Antwort“, stimmt der IT-Experte Bo Ewald zu, „aber unser Quantencomputer funktioniert nach den Prinzipien der Wahrscheinlichkeitstheorie, so wie das Universum.“ Ewald, einstmals Vorstandsvorsitzender beim Supercomputer-Hersteller Cray Research und bei Silicon Graphics, leitet heute D-Wave International, die kanadische Firma, die seit 2011 den ersten und einzigen kommerziellen Quantencomputer anbietet. „Auf dem D-Wave-System gibt es nicht nur die eine Antwort, sondern eine Verteilung von Antworten, sodass vielleicht 95 Prozent dem digitalen Ergebnis entsprechen würden, je nach Problemstellung.“ Für manche Rechenaufgaben sei der D-Wave zwar heute noch langsamer als ein herkömmlicher Großrechner – bei spezifisch programmierten Problemen jedoch bis zu mehrere Tausend Mal schneller als ein Supercomputer.

Routen optimieren, Roboter steuern

Cebit 2017 - Volkswagen IT-Experten nutzen Quantencomputer: (v.l.) Dr. Christian Seidel, Senior Data Scientist im Data Lab der Volkswagen Konzern-IT in München, Robert „Bo" Ewald, President D-Wave International, Dr. Martin Hofmann, CIO des Volkswagen Konzerns, Dr. Florian Neukart, Principal Data Scientist im Code Lab der Volkswagen Konzern-IT in San Francisco.

Zu den mathematischen Problemen, die Quantenrechner besser lösen können als digitale Computer, rechnen Physiker wie Christoph Becher Simulationen wie die Optimierung von Routen. Deshalb ist der Volkswagen Konzern jetzt das weltweit erste Automobilunternehmen, das Quantencomputing benutzt. Seit Anfang des Jahres programmieren fünf Volkswagen Software-Ingenieure aus San Francisco und München über die Cloud auf dem D-Wave 1000Q. „Mit der Routenoptimierung der Pekinger Taxis wollen wir zeigen, dass wir mit einem Quantencomputer ein ganz praktisches Problem lösen können – und nicht nur theoretisch, wie es in der Forschung geschieht“, sagt Neukart.

Cebit 2017 - Volkswagen IT-Experten nutzen Quantencomputer: Volkswagen gibt Kooperation mit führendem Quantencomputing-Spezialisten D-Wave Systems bekannt.

Ziel sei letztlich natürlich, die Erkenntnisse zum Nutzen aller Kunden zu verwenden – die Taxis in Peking seien lediglich ein gut geeigneter Testdatensatz. „Aber auch bei anderen echtzeitkritischen Anwendungen könnten Quantencomputer uns helfen“, sagt Neukart, etwa bei der blitzschnellen Selbstoptimierung von Robotern in der Produktion, beim autonomen Fahren, in der vernetzten Fertigung, beim maschinellen Lernen und bei intelligenten Mobilitätslösungen. Noch steckt die Technologie in den Kinderschuhen, entwickelt sich aber rasend schnell. Experten vergleichen den  Entwicklungsstand mit dem der 1950er Jahre im elektronischen Computing. So gibt es etwa noch keine Programmiersprachen für Quantencomputer. „Noch ist es schwer, zu zeigen, dass das System tut, was wir wollen“, gibt Neukart zu.

...und die Staus lösen sich auf

Im Unternehmenssitz von D-Wave Systems. (Copyright: D-Wave Systems)

Kein Wunder also, dass die Optimierung der 10.000 Taxi-Bewegungsdaten erst einmal nicht funktionierte. Die vielen roten Punkte, die in der Visualisierung für jeweils ein Taxi standen, bildeten Knäuel, die sich kaum auflösen ließen. Erst langsam, nachdem die Volkswagen Software-Ingenieure den Stadtplan in Segmente aufgeteilt hatten, begannen die roten Flecken sich in gelbe zu verwandeln. „Unsere fünfte Lösung war dann komplett anders als die erste“, sagt Neukart, aber sie funktionierte: Aus Rot wurde Gelb, und aus gelben Klecksen grüne. „Noch ist die Darstellung vereinfacht“, räumt er ein. Für das Quantencomputing sei es dennoch ein großer Schritt: „Wir haben bewiesen, dass es geht!“ Die großen Möglichkeiten, die sich daraus in Zukunft ergeben, seien noch gar nicht absehbar.  

Der Volkswagen Konzern auf der CeBIT 2017